動態熔融過程中閃長巖熔體成分的變化特征

【摘 要】熔融實驗研究開始于20世紀50年代。據不完全統計，僅90年代，國際上發表的與部分熔融實驗有關的論文有50000多篇，受實驗條件的限制，直接與實驗相關的論文只有200多篇，但部分熔融實驗的成果仍然對巖漿起源、深部構造、殼慢物質交換等重大地學問題給出了許多定量的約束，推動了地學的發展。

【關鍵詞】熔融；巖類；發展

一、熔融實驗研究現狀及成果

用于部分熔融實驗的巖石類型括：二輝橄欖巖、玄武巖、輝長巖、花崗巖、英云閃長巖、奧長花崗質、黑云斜長片麻巖、榴輝巖、麻粒巖、角閃巖及孔茲巖系等。在平均成分上包括了從上地慢到上地殼的全部巖石類型，為巖石成因和巖石圈演化的研究提供了豐富資料。

根據實驗目的的不同，部分熔融實驗主要包括人工化學合成系統熔融實驗、天然巖石粉末熔融實驗、天然巖石塊狀樣品熔融實驗及天然礦物合成樣品熔融實驗等4種。依據實驗初始物質的狀態，可以將現有的高溫高壓巖石脫水熔融實驗分為兩類：粉末樣品脫水熔融實驗和塊狀樣品脫水熔融實驗。由于粉末樣品成分均勻，容易達到化學平衡，因此已有的實驗大多數是利用粉末樣品進行的（Lambert等，1972；Ellis等，1986；Puziewicz等，1990）。相對于粉末樣品熔融實驗，塊狀樣品巖石脫水熔融實驗也有它的優點（Hacker B等，1990；Wolf等，1991）。首先，塊狀樣品保留了天然樣品的結構，利用塊狀樣品進行巖石脫水熔融實驗可能更真實地模擬地球深部巖石脫水熔融過程。其次，利用塊狀樣品進行巖石脫水熔融實驗可以使我們清楚的了解巖石熔融的動態過程，如新生礦物和熔體最初生成的部位；隨時間變化，其分布的變化和成分的演化。這些都是熔融過程中我們知之甚少的問題。因此塊狀樣品巖石脫水熔融實驗是粉末樣品熔融實驗的有力補充。

近年來國內學者對塊狀樣品高溫高壓熔融做了大量實驗，對塊狀巖石樣品的熔融特征取得了眾多新的成果：

朱衛國等（1998）以玄武巖為實驗初始樣品，在溫度為1650℃，壓力為1-3GPa條件下進行了熔融實驗，對實驗產物中的玄武巖淬火玻璃進行的電子探針分析表明，玄武巖玻璃成分大致相同，Mg#≤50，w（K2O）為1.5左右；只有Al2O3的含量隨壓力增大而增加，SiO2隨壓力的增加而減小。

鄭海飛等（1995）以榴輝巖為實驗初始樣品；鄭海飛等（1996）以堿性玄武巖和拉斑玄武巖為實驗初始樣品，分別進行了溫度為800-1300℃，壓力1.0-3.5GPa，和溫度850-1300℃，壓力1.5-3.5GPa的熔融實驗，結果表明，榴輝巖熔融產生的玻璃成分中，Mg#≤50，w（K2O）含量多數較低。

20世紀70年代，國外研究者開始注意有含水礦物參與的水不飽和情況下的部分熔融現象。與吸水熔融過程截然相反的是，巖石的部分熔融從含水礦物(如黑云母、角閃石)的脫水分解開始。1991，Wyllie及其領導的工作組將其定名為脫水部分熔融(Dehydration melting)，即初始物質中含有含水礦物的樣品，在水不飽和的情況下，含水礦物的分解將直接導致樣品的初始熔融。之后的研究取得了很多成果，部分總結如下:

（一）隨著實驗條件的進步，目前國內外用于脫水部分熔融實驗的儀器可達到的溫度超過1400℃，壓力超過32kbar，相當于地殼下IOOmk左右的深度。

（二）封閉體系的脫水部分熔融，暗色含水礦物優先脫水，誘發長英質礦物熔融，最后可得到含水的熔體和無水或含少量水的殘留體。

（三）含水礦物脫水在部分熔融過程中的作用。在0.05-1.OGPa下，水呈孔隙流體存在，并且長英質和鎂鐵質體系中水飽和熔融開始于600-700℃。然而，普遍認為下地殼在正常情況下缺失孔隙流體，水僅以含水礦物的結構水形式存在。當下地殼發生脫水部分熔融時，含水礦物在部分熔融過程中發生脫水，含水礦物中脫出的游離水直接溶解進入水不飽和硅酸鹽熔體。水的存在可以降低巖石的熔融溫度，并且減小巖漿的粘性、密度并促進巖漿的運移。

二、存在的問題

（一）樣品的初始狀態：由于實驗條件和實驗目的的不同，大部分部分熔融實驗采用粉末樣品。粉末樣品的優點是熔融較易達到平衡，熔體成分較均一。但是粉末樣品破壞了巖石的原有結構，改變了天然塊狀樣品所具有的熔融溫度和熔融性質。尤為突出的是不能直接觀察未熔礦物與熔體之間所發生的轉變反應及熔體的賦存狀態。所以，塊狀樣品的脫水部分熔融實驗受到越來越多的重視。到目前為止，基性變質巖類的脫水部分熔融實驗研究以粉末樣品為主，僅少量使用塊狀樣品。

（二）體系的封閉或開放程度：在熱力學基本概念中，涉及到封閉體系和開放體系兩個概念。封閉體系是指與環境沒有物質交換，但有能量交換的體系;開放體系是指與環境之間存在物質交換的體系。對于脫水部分熔融實驗而言，在封閉體系中，含水礦物脫水后，水直接參與熔融。而在開放體系中，水會逃逸到體系外，不參與熔融。封閉體系和開放體系的熔融作用在熔融機制、初熔液相、礦物相消失順序以及殘余固相等方面存在很大差別。

近年來的研究表明，熔融體系對于俯沖帶洋殼分解釋放的含H2O流體來說是開放的。從這個意義上講，完全封閉的簡單或復雜體系的相平衡實驗研究，在模擬自然界巖石熔融條件方面帶有一定的局限性和片面性，即地慢和地殼巖石的熔融作用對于循環于巖石圈內的揮發分來說不可能是完全封閉的體系。開放體系的熔融實驗可能是巖漿起源研究的重要內容之一。然而，到日前為止，脫水部分熔融實驗的成果基本是基于封閉體系得到的，而開放體系脫水部分熔融的成果很少。

（三）局部熔融體系開放后，該理論是否還成立：熔融達到一定程度，局部熔融體系開放，熔體不再被圈閉于一個封閉體系中。這時的熔體成分是否還是受到體系中礦物組成的影響，局部熔融體系理論是否成立?

借用并拓展吳福元(1993)提出的局部熔融體系概念，將開放后的局部熔融體系仍稱之為局部熔融體系，將吳福元定義的局部熔融體系改稱為封閉的局部熔融體系。在此前提上，探討熔體成分是否仍受到體系內物質組成(即體系內礦物邊界條件)的影響。

三、閃長巖失水熔融實驗

（一）實驗樣品：實驗樣品采自吉林省梨樹縣十家堡河家東山的細粒閃長巖，巖性均勻，巖石主要礦物組成：斜長石55%左右，普通角閃石40%左右，少量黑云母和石英，副礦物為磷灰石、榍石和鋯石；巖石為半自形細粒結構，礦物顆粒細小，粒徑為0.2-0.4mm；少量長石呈斑晶出現；不規則粒狀晶質結構，塊狀構造，局部具有弱的定向構造。

實驗樣品的制備：沿著巖石垂直面理的方向鉆取巖樣，加工成直徑15 mm±和長20 mm±的圓柱體，其端面平行度小于0.2 mm，垂直度小于0.02 mm。

（二）實驗方法：實驗使用活塞圓筒式固體介質三軸實驗裝置。該裝置由圍壓系統、軸壓系統、加溫系統和記錄系統四部分組成。圍壓由Wy300B型穩壓源控制，軸壓由英國Instron公司生產的電液伺服壓機控制，通過自動卸載或加載控制應力狀態，溫度由DWT702型自動控溫儀控制。實驗樣品加工成直徑15mm和高20mm的巖石圓柱體，樣品外側為石墨套管，再外側是葉臘石傳壓介質套（岳石等，1990），用NiCr—NiSi熱電偶連接樣品的頂底端。由于實驗樣品塊體大而且受加溫持續時間的限制，樣品圓柱體內存在溫度梯度，根據岳石等（1990）對溫度的系統標定，該裝置在縱向上，樣品中間溫度高于樣品兩端溫度約50℃，在橫向上樣品與石墨套管相接觸部位高于樣品中部的溫度，溫度差不大于30℃（岳石等，1990；吳福元，1993）。本文所列試驗溫度為縱向上校正后的溫度。

靜態熔融實驗是指無差應力狀態下的熔融實驗，樣品的應力方式為σ1=σ2=σ3。

動態熔融實驗是指有差應力狀態下的熔融實驗，即伴隨有變形過程的熔融實驗。施加最大主應力為σ1，其應力狀態為σ1≠σ2=σ3，差應力σ=σ1—σ2（σ2=σ3）。軸壓和圍壓按準靜水壓加載，圍壓加到接近目標壓力時，開始加溫。初期加溫速率為25℃/min，接近目標溫度時，改為10℃/min；在加溫時，樣品膨脹，為了避免系統軸壓逐步上升，軸壓系統由位移控制切換到應力控制，切換過程平穩。當溫度達到設定目標溫度時，圍壓緩慢加到目標壓力，系統穩定后，軸壓再次切換到位移控制，按控制速率加載。

四、熔融實驗結果

將上述實驗后的巖石樣品沿中心平行柱面切成光學薄片，為了減小溫度梯度對樣品的影響，選擇樣品中心到兩邊的相同部位進行偏光顯微鏡下觀察，并在相同部位做電子探針成分分析。

樣品SB-D3、SB-D4、SB-D5、SB-D6發生了部分熔融，而樣品SB-D1、SB-D2鏡下則未見熔融現象發生。下面分別就已經發生熔融現象的樣品討論其熔融作用的特征以及熔體與變形間的關系。

五、結論

（一）相同壓力條件下，閃長巖失水熔融程度隨溫度增加而增加，隨熔體量增多，熔體成分由基性向中性方向轉變，但熔體中K2O含量變化不大；（二）相同溫度條件下，低壓和高壓對巖石部分熔融生成的熔體成分變化規律不明顯，原因是水分壓對熔體性質起著明顯的控制作用；由于實驗體系處于半封閉和半開放條件下，熔融過程中角閃石脫水產生的PH2O在熔融過程中保持近恒定；（三）重要影響，角閃石附近熔體富Mg、Fe、Ca和Ti，斜長石附近熔體富Al和Na；（四）相同溫度條件下，應變速率大的樣品，其熔融程度較應變速率小的樣品高；（五）在特定的條件下，閃長巖產生的硅酸鹽熔體可發生富Fe氧化物熔體的熔離作用。這種熔離作用導致硅酸鹽熔體的Mg#值顯著增高。

實驗反映了一種現象：相當明顯的應力熔融現象，即其他條件均相同的情況下，在應力集中區，也就是強變形區，熔融程度最高，離開強變形區，隨應力的減弱，熔融程度也隨之降低，這種熔融程度明顯受應力控制的現象，稱為應力熔融現象。這種現象無論在塊狀樣品還是在光學顯微鏡下，都有明顯的表現。

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